有什么比一個(gè)擁有完美甜度的草莓更好的了呢？然而，很多市售漿果看起來很美味，但實(shí)際味道就不一定了。

中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞和她的團(tuán)隊(duì)正在解決這個(gè)問題，他們正通過簡單的基因修飾來調(diào)控草莓的甜度。

“我們可以將每克草莓的總含糖量從20毫克提升到41毫克”，高彩霞說道，“而且可以設(shè)置多個(gè)梯度層次，你可以選擇自己喜歡的甜度”。

包括高彩霞實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)，越來越多的研究團(tuán)隊(duì)開始采用堿基編輯（Base Editing）和先導(dǎo)編輯（Prime Editing）技術(shù)來提高商業(yè)谷物、水果、蔬菜的產(chǎn)量、抗性及對(duì)消費(fèi)者的吸引力。堿基編輯和先導(dǎo)編輯是對(duì)廣泛應(yīng)用的 CRISPR-Cas9 基因編輯系統(tǒng)的改進(jìn)，可以在特定的 DNA 位點(diǎn)引入精確的變化。

高彩霞研究員（右）在查看溫室中的基因編輯番茄，圖片來源：Stefen Chow

此前，生物醫(yī)學(xué)研究人員已經(jīng)在應(yīng)用這些基因編輯技術(shù)來研究和治療人類遺傳疾病。而這些技術(shù)同樣能夠用來創(chuàng)造抗病性更強(qiáng)、營養(yǎng)更豐富、產(chǎn)量更高的作物。

更重要的是，這些基因編輯技術(shù)有望提供一種極具吸引力的方案，以替代那些需要添加其他物種基因來構(gòu)建的轉(zhuǎn)基因作物，轉(zhuǎn)基因作物不僅面臨著嚴(yán)格的監(jiān)管審查，還面臨著公眾的懷疑與擔(dān)憂。

著名植物生物學(xué)家、南方科技大學(xué)前沿生物技術(shù)研究院負(fù)責(zé)人朱健康院士近日在訪談中向《生物世界》表示：基因編輯技術(shù)可以精確、快速且簡單地生成作物改良所需的所需基因突變，從而幫助培育出產(chǎn)量更高、更有營養(yǎng)、更耐受極端天氣、需要更少化肥和農(nóng)藥的作物。更關(guān)鍵的是，基因編輯工具本質(zhì)上是一種在植物中產(chǎn)生基因突變的生物誘變劑，很像常規(guī)誘變育種中使用的化學(xué)誘變劑和輻射。通過基因分離將基因編輯工具從被編輯的植物中去除后，就可以獲得無轉(zhuǎn)基因的基因編輯作物。無轉(zhuǎn)基因的基因編輯作物與傳統(tǒng)作物沒有什么不同，因?yàn)樗鼈兌己凶匀话l(fā)生的突變，因此與傳統(tǒng)誘變育種的作物相比，它們不會(huì)帶來任何額外的食品安全或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

朱健康院士

照目前的情況來看，第一波使用堿基編輯技術(shù)的水果、蔬菜和谷物將未來幾年里陸續(xù)擺上消費(fèi)者的餐桌。

堿基編輯

在 CRISPR-Cas9 基因編輯中，在向?qū)?RNA（gRNA）的引導(dǎo)下，Cas9酶到達(dá)基因組中特定 DNA 位點(diǎn)，并切斷 DNA 雙鏈。然后細(xì)胞啟動(dòng)非同源末端連接（NHEJ）的修復(fù)機(jī)制，這種修復(fù)機(jī)制通常會(huì)在切割位點(diǎn)隨機(jī)插入或刪除堿基對(duì)，從而破壞目標(biāo)基因功能。

然而，CRISPR-Cas9 基因編輯雖然高效，但并不精準(zhǔn)。在敲除一個(gè)基因的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生很多你不想要的結(jié)果。如果是想優(yōu)化基因的功能，而不是簡單的抑制或敲除它們，那么 CRISPR-Cas9 這種缺乏可預(yù)測性的基因編輯技術(shù)就不那么可行了。

2016年，哈佛大學(xué)劉如謙（David Liu）團(tuán)隊(duì)找到了一種新的的解決方案——堿基編輯（Base Editing），他們將修飾過的DNA雙鏈切割活性喪失的 Cas9 酶與胞苷脫氨酶融合，從而實(shí)現(xiàn)將 C-G 堿基對(duì)轉(zhuǎn)化為 T-A 堿基對(duì)，即胞嘧啶堿基編輯器。次年，劉如謙團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了可將 A-T 堿基對(duì)轉(zhuǎn)換為 C-G 堿基對(duì)的腺嘌呤堿基編輯器。如今，已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)十種堿基編輯器，能夠?qū)崿F(xiàn)從哺乳動(dòng)物、植物到人類的高效、特異性堿基編輯。

2019年，高彩霞團(tuán)隊(duì)在 Nature Plants 發(fā)表論文，通過對(duì)乙酰乳酸合酶和乙酰輔酶 A 羧化酶基因進(jìn)行堿基編輯，生成了對(duì)多種除草劑具有抗性的無轉(zhuǎn)基因小麥。

此外，堿基編輯技術(shù)還能用來進(jìn)行“定向進(jìn)化”，將隨機(jī)突變引入各種基因，以確定改善特定植物性狀的新變體。

高彩霞團(tuán)隊(duì)2020年發(fā)表在 Nature Biotechnology 的論文就做了這樣的工作。乙酰輔酶 A 羧化酶是植物代謝過程中催化植物脂肪酸合成的關(guān)鍵酶，是重要的除草劑靶基因。“我們組合使用了胞嘧啶堿基編輯器和腺嘌呤堿基編輯器，希望找到抵抗乙酰輔酶 A 羧化酶抑制劑除草劑抗性的突變”，高彩霞說道，“我們?cè)O(shè)計(jì)了200個(gè) gRNA 以全面覆蓋目標(biāo)域的400個(gè)氨基酸，然后通過噴灑除草劑來篩選這些突變體，看看哪些突變體能夠存活下來?！?/p>

先導(dǎo)編輯

盡管功能強(qiáng)大，但堿基編輯（Base Editing）的潛力有限。在12種堿基對(duì)轉(zhuǎn)換中，堿基編輯只能可靠地實(shí)現(xiàn)其中4種。例如，對(duì) C to G 的堿基轉(zhuǎn)換，效率就比較低。

此外，堿基編輯不適合用來對(duì)基因進(jìn)行大量修改，比如長片段的插入、替換和刪除。我們可以通過 CRISPR-Cas9 實(shí)現(xiàn)這些類型的基因修改，但實(shí)際上效率也不高，最好的情況下，也只有大約5%的效率。

2019年，劉如謙團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為先導(dǎo)編輯（Prime Editing）的基因編輯技術(shù)，無需依賴DNA模板便可有效實(shí)現(xiàn)4種堿基之間的12種自由轉(zhuǎn)換，而且還能有效實(shí)現(xiàn)多堿基的精準(zhǔn)插入與刪除。Nature 雜志評(píng)論這一技術(shù)是“超精確的新型基因編輯工具”， Science 雜志評(píng)論它是“超越CRISPR”的重大突破。

先導(dǎo)編輯使用經(jīng)過修飾的 Cas9 酶（nCas9），只進(jìn)行 DNA 單鏈切割，修飾的 Cas9 酶與逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）融合，還使用了專門設(shè)計(jì)的向?qū)?RNA pegRNA，它不僅可以將編輯器靶向基因組中的特定位點(diǎn)，還包含了 RNA 模板序列和引物結(jié)合序列。在 DNA 被切割后，引物結(jié)合序列與切割位點(diǎn)的 DNA 發(fā)生雜交，逆轉(zhuǎn)錄酶將 RNA 模板逆轉(zhuǎn)錄為 DNA，從而將所需序列寫入基因組特定位點(diǎn)。這種方法不僅可以實(shí)現(xiàn)堿基的任意轉(zhuǎn)換，還可以插入或刪除 DNA 片段。

2022年，高彩霞團(tuán)隊(duì)在 Nature Biotechnology 發(fā)表論文，他們對(duì) nCas9- RT 融合蛋白進(jìn)行改造，開發(fā)出了新的工程化植物先導(dǎo)編輯器（ePPE），能夠大幅提高對(duì)植物的基因編輯效率，且沒有觀察到副產(chǎn)物或脫靶編輯的顯著增加。使用 ePPE ，高彩霞團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了對(duì)兩種除草劑（甲咪唑煙酸和煙嘧磺?。┚邆淇剐缘乃拘虏牧?。

高彩霞團(tuán)隊(duì)目前通過改進(jìn) pegRNA 和 nCas9-RT 復(fù)合物，構(gòu)建了多種更高效率的先導(dǎo)編輯器，但高彩霞表示：先導(dǎo)編輯仍有改進(jìn)的空間。

轉(zhuǎn)化難題

對(duì)于一些已經(jīng)進(jìn)行充分研究的作物來說，應(yīng)用堿基編輯或先導(dǎo)編輯其實(shí)并不難。高彩霞此前在訪談中對(duì)《生物世界》表示：水稻、小麥、玉米、土豆、西紅柿等作物研究的很多，已經(jīng)有了成熟的轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括農(nóng)桿菌介導(dǎo)法和基因槍法，能夠相對(duì)容易地把基因片段導(dǎo)入到植物細(xì)胞中。但農(nóng)桿菌介導(dǎo)法會(huì)將基因編輯組份以 質(zhì)粒 DNA 的形式導(dǎo)致植物細(xì)胞，因此會(huì)引入外源基因，這不符合無轉(zhuǎn)基因的基因編輯植物的要求，而且基因編輯組份的長期存在也可能帶來不必要的脫靶風(fēng)險(xiǎn)。因此，我們主要選擇基因槍法，將基因編輯組分以蛋白質(zhì)和RNA的形式結(jié)合在微型金屬顆粒上，然后高速轟擊植物細(xì)胞，這種情況下，基因編輯組份在發(fā)揮編輯作用后會(huì)很快被降解，從而實(shí)現(xiàn)無轉(zhuǎn)基因的基因編輯植物。

朱健康團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在水稻、小麥、玉米、土豆和西紅柿等常見作物中成功應(yīng)用了堿基編輯和先導(dǎo)編輯技術(shù)，但朱健康也表示，在自然界中，已發(fā)現(xiàn)的高等植物就有超過37萬種，而目前成功轉(zhuǎn)化的只有幾十種。

許多植物難以轉(zhuǎn)化的原因有幾點(diǎn)，例如我們?nèi)狈?duì)許多植物物種的細(xì)胞分離、培養(yǎng)和瞬時(shí)轉(zhuǎn)化的知識(shí)。此外，我們對(duì)許多植物物種的基因組和關(guān)鍵性狀也缺乏了解。這都大大限制了基因編輯技術(shù)在這些植物中的轉(zhuǎn)化。

劉如謙、張鋒等人創(chuàng)立的基因編輯農(nóng)業(yè)公司 Pairwise 正在試圖解決這些問題，他們通過大規(guī)?；蚪M測序，已經(jīng)確定了超過300個(gè)漿果物種和品種的50多種性狀的遺傳堿基。

超越轉(zhuǎn)基因作物

美國農(nóng)業(yè)部，以及中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)在都給予了基因編輯作物更大的自由度，只要這些基因編輯作物不攜帶外源基因。政策的放開，不代表基因編輯作物的市場化之路就會(huì)一帆風(fēng)順，如果消費(fèi)者不買賬，基因編輯作物還是難以真正崛起。

如果想讓人們接受基因編輯作物或食品，除了證明其安全性，還要讓它們對(duì)公眾產(chǎn)生更大的吸引力。例如通過基因編輯產(chǎn)生更具抗病性、抗逆性的作物。不過，另一個(gè)方向似乎更為可行：通過基因編輯產(chǎn)生更營養(yǎng)、更健康、更美味的食物。

據(jù)悉，Pairwise 的基因編輯食品正在快速推進(jìn)，它們的第一個(gè)產(chǎn)品將是堿基編輯的營養(yǎng)含量更高的綠葉蔬菜，預(yù)計(jì)將于明年進(jìn)入美國市場。此外，Pairwise 還在開發(fā)一款無核櫻桃，目前正在進(jìn)行田間測試，由于櫻桃樹的長成需要花費(fèi)更長時(shí)間，因此無核櫻桃的上市還要再等等。

朱健康院士此前也在訪談中對(duì)《生物世界》表示：基因編輯不僅可以創(chuàng)造產(chǎn)量更高、更具抗性的作物，還能讓作物營養(yǎng)含量更高，甚至讓瓜果產(chǎn)生更多的抗衰老物質(zhì)（例如NMN），從而幫助延年益壽。

此外，基因編輯的另一種應(yīng)用同樣具有巨大的潛力和價(jià)值：加速野生作物的馴化。高彩霞團(tuán)隊(duì)就曾使用基因編輯技術(shù)操縱與果實(shí)大小、產(chǎn)量和營養(yǎng)成分相關(guān)的5個(gè)基因來馴化野生番茄?！巴ㄟ^自然馴化，這個(gè)過程從開始到結(jié)束需要8000年時(shí)間”，高彩霞說道，“而現(xiàn)在，只需要一年半了”。

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